Table of Contents
محرك الإصدار في الإشتعال البحري
ويشهد القطاع البحري، الذي يعتمد منذ وقت طويل على محركات الديزل والغاز الثقيل، تحولا أساسيا، كما أن الأنظمة الدولية التي تستهدف أكاسيد الكبريت وأكسيد النيتروجين والانبعاثات الجسيمية تشدد، بينما تُسند الموانئ بصورة متزايدة عملية لا تقل عن الانبعاثات، وهي تتطلب أيضا وجود صمامات ثابتة، وتواجه المشغلات ضغوطا مستمرة لتخفيض تكاليف الوقود وتحسين استخدام السفن.
ومن ثم أصبح تصميم السيارات الكهربائية ذات الوزن الخفيف مجال تركيز حاسم للمهندسين البحريين والمهندسين البحريين وموردي نظام الدفع، مما يؤدي إلى إحداث سلسلة من الفوائد: فهو يقلل من وزن السفينة عموما، ويحسن نسب القوة إلى الوزن، ويوسع نطاق تشكيلات البطاريات الكهربائية، ويحرر الاتجاهات المتعلقة بالتشريد بالنسبة للشحنات، أو الركاب، أو المواد الإضافية لصنع الطاقة.
لماذا الحد من الكتلة حرجية في البحر
وفي الهندسة البحرية، لا يشكل الوزن مجرد قياس للأداء - بل هو قيد أساسي يؤثر على كل جانب من جوانب تصميم السفن، ويجب أن يقابل كل كيلوغرام من الكتلة المضافة إلى نظام الدفع تعديلات في شكل هوس، وحسابات الاستقرار، وتوزيع الطوافات، والتقوية الهيكلية، وبالنسبة لتخطيط الأهوال والأسمدة السريعة، يحدد الوزن مباشرة العتبة التي تنتقل بها السفينة من التشريد إلى التخطيط للوقود، مما يؤدي بدوره إلى التأثير.
وقد عانت المحركات الكهربائية التقليدية، في الوقت الذي توفر فيه كفاءة عالية وضبطا دقيقا للضغط، من ضعف كثافة الطاقة مقارنة بمحركات الاحتراق الداخلي، ويمكن أن يزن المحرك الصناعي المثالي لتصنيف الطاقة المكافئة ما بين ضعفين وثلاثة أضعاف ما يمكن أن يثقل منه محرك الديزل البحري، مما يجعله غير عملي بالنسبة لجميع السفن ولكن أكبرها، وقد كانت هذه العقوبة هي أكبر عقبة أمام اعتماد جميع أنواع العجلات والتركيب.
وبالإضافة إلى التأثير المباشر على أداء السفن، تبسط المحركات الخفيفة التركيب، وتخفض العبء الهيكلي على نقاط التكتل، وتسمح بمزيد من المرونة في تحديد موقع نظام الدفع داخل الهيكل، وهذه الحرية المكانية قيمة بصفة خاصة في مشاريع إعادة الترويح، حيث قد تكون غرف المحركات الحالية محدودة الوصول أو غير تقليدية، وبالتالي فإن دفع السيارات البحرية الخفيفة ليس عملية أكاديمية - بل هو ضرورة عملية لتوسيع نطاق الكهربة عبر الأسطول.
Core Engineering Hurdles in the Marine Environment
الإدارة الحرارية في الفضاءات المؤمنة
وتولد المحركات الكهربائية الحرارة كمنتج ثانوي للخسائر الكهربائية والمغنطية، وفي منشأة بحرية، كثيرا ما تكون المحركات مقفلة في غرفة محركات مدمجة ذات تدفق جوي محدود، ودرجات حرارة مرتفعة، ومتطلبات ضوضاء صارمة وتهتز، وتستلزم نُهج التبريد التقليدية - وهي مصارف حرارية كبيرة، أو مراوح خارجية، أو سترات مياه - زيادة كبيرة في الوزن والحجم، ويتمثل التحدي في إزالة الحرارة بكفاءة دون اللجوء إلى إدارة الرش الريح.
ممر مياه الأمطار والبحار البيئية
فالجو البحري شديد الغضب، إذ أن رذاذ الملح والتكثيف والارتطام العرضي يهيئ الظروف التي تتدهور بسرعة المواد القياسية للحركة، وتحتاج الأطر الألومنيوم، ورياح النحاس، وسلاسل الفولاذ إلى الحماية، ويجب أن تظل تصميمات الوزن الخفيف التي تقلل من سميك المواد أو بدائلها، مقاومة للتآكل معادلة لمعدلات وزن السيارات المصممة بعناية(56).
التسوق، اليقظة، الواجب المستمر
إن محركات الدفع البحري تختبر حمولات تختلف اختلافا ملحوظا عن التطبيقات الصناعية أو السيارات، وتأثيرات الامواج، والاهتزاز الذي يسببه الدفع، والتغيرات المفاجئة في الحمولة أثناء المناورات تفرض ضغوطا على الأعصاب الدورية، ويجب أن تصمم هياكل الوزن الخفيف، ولا سيما تلك التي تستخدم المساكن المركبة أو السلاسل التلالية ذات الشدة، بحيث تصمد أمام هذه القوى دون حدوث فشل في الحمل على عشرات من ساعات العمل.
المحركات المتحركة
الهياكل المركبة المتقدمة
وقد انتقلت الألياف المعززة من الفضاء الجوي إلى البناء البحري للمحركات، ولا سيما بالنسبة للمساكن والأجراس النهائية والأكمام الروتينية، حيث توفر هذه المركبات نسبة من القوة إلى الوزن عدة مرات من حيث حجم الألمنيوم أو الفولاذ، إلى جانب التقلص الطبيعي للتوتر والحصانة إلى التآكل الجاف عند عزلها بشكل سليم عن المضارب المتناثرة.
كما أن التصميمات المركبة للمعادن آخذة في الظهور، حيث توفر مجموعة كبيرة من الفلزات مسارات التدفق المغناطيسي والسلوك الحراري، بينما توفر قذيفة مركبة خارجية الدعم الهيكلي والحماية البيئية، ويكمن التحدي في إدارة الفرق في معامل التوسع الحراري بين المواد - وهو خطأ يمكن أن يسبب إزالة أو فقدان الحمل، وتنجم عنه أوجه تقدم في النسب الموازية وتقنيات التكسير المتماسكة.
المواد المغناطيسية ذات الأداء العالي
وقد شهدت المواد النشطة التي تنتج العروق - المغناطيسات والصلب الكهربائي - تحسينات كبيرة، إذ أن المغناطيسات الدائمة ذات المدى المتوسط، ولا سيما درجات النيوديوم - البرون - البرون (NdFeB) ذات التردد العالي والضغط العالي، تسمح للمصممين بتحقيق حقول مغناطيسية قوية ذات أحجام مغناطيسية أصغر، مما يقلل من مقياس الديتار والفولاذ، مما يتيح سرعة الاستجابة الدينامية، وتقلل من وزنها.
فبدائل ناشئة لمغناطيسات نادرة، مثل المغناطيسات القائمة على الأسمدة مع كميات جديدة من الجيولوجيا التي تركز على التدفق أو تصميمات الترددات المتزامنة الخالية من المغناطيس، تكتسب مسارا للتطبيقات التي يكون فيها أمن سلسلة التكلفة أو الإمداد شاغلا، وتتبادل هذه التضاريسات كثافة ذروة في تصميمات المواد المنخفضة وإزالة عناصر العجلات النادرة، حيث تنطوي رسوم الدفع البحري على دفعات.
Innovative Winding Geometries
وتستخدم الرياح العشوائية التقليدية أو التي تشكلت على شكل أسلاك كبيرة من النحاس وتترك حيزاً باطلاً كبيراً مملوءاً بالعزلة والهواء، كما أن الريح الهادر - الموصلات الجاهزة المأخوذة في فتحات المحركات - تزيل الكثير من الحجم الباطل، وتزيد من طول مقياس النحاس من نحو 40 في المائة إلى أكثر من خمسة وستين في المائة، مما يتيح لمحركة أصغر أن تحمل نفس الركيزة العجلات، مما يقلصات.
ومن بين التطورات الأخرى تشييد أسلاك زراعية لمحركات عالية التردد، مما يخفف من آثار الجلد والقرب التي تتطلب، لولا ذلك، قطعا من الموصلات الكبيرة، كما أن تقنيات التصنيع المضافة، مثل الفحم النحاس المطبع بثلاثة دونات، مع قنوات داخلية معقدة للتبريد المباشر، تنتقل من مختبرات البحوث إلى نماذج محركات نموذجية، ويمكن أن تحقق هذه الريح المطبوعة مقاييس الأرضية المستحيلة مع أجهزة الريح التقليدية، مما يتيح تحويلات إلى مواقع أكثر حزمة.
الهيكل المتكامل لتبريد السائل
فتكامل نظام التبريد هو أحد أكثر الليارات فعالية لخفض الوزن، وبدلا من إضافة مبادلات حرارية منفصلة، ومضخات، ورش، فإن المصممين يدمجون ممرات تبريد مباشرة في صلب المحركات والمواقد، وتشتت المعاطف المائية المجهزة في مسكن مركب أو تُلقي في شريحة خريفية صغيرة مما يتيح إزالة الحرارة في مصدرها بينما تضيف مواد دنيا.
أما السيارات التي تُعمم بالزجاجات الزيتية، والتي تُعمم فيها زيت النقل عبر الدوار والمحرك، فتتيح الفائدة المزدوجة من التشحيم والإدارة الحرارية، ويمكن إدماج مسار النفط في المحركات والسكن الذي لا يُحتمل أن يُضاف إليه وزن إضافي كبير، أما بالنسبة للتطبيقات البحرية، فيجب أن يُغلق نظام النفط ضد الاقتحامات المائية، ولكن وفورات الوزن كبيرة بما يكفي لتبرير الجهد الهندسي.
الهيكلان النموذجي والمقعد
فبدلا من تصميم محرك للتعبير عن كل حجم من السفن، يقوم المهندسون بتطوير منابر آلية نموذجية تجمع فيها أجزاء من المحركات المتطابقة وأقسام الرواد لتغطية نطاق الطاقة، ويستهلك هذا النهج تكلفة التنمية عبر منتجات متعددة ويبسط سلاسل الإمداد، ولكنه يوفر أيضا مزايا للوزن، ويمكن أن يستخدم المحرك النموذجي مساكن موحدة للوزن الخفيف تناسب أكبر تشكيلة، مع وجود حيز مفتوح غير مستخدم يُشغل باللون.
ويؤدي بناء المحركات المجزأة، حيث يتم تجميع القاع من الجروح الفردية والقطع غير المزروعة، إلى الحد من تعقيد المحركات ذات قطر كبير، ويتيح استخدام الصلب الكهربائي الأرق الذي يصعب التعامل معه كحلقة كاملة، ويمكن أن يُستفد كل جزء من القطاعات إلى الحد الأمثل من إمكانية التبريد والثبات الهيكلية، وعندما يُنشق معاً في مكافئ هيكلي كامل، تكون الجمعية الأحادية الناجمة عن ذلك أخف من
الأداء والفوائد التشغيلية
السرعة والمناورات والرد الديناميكي
ويعاني دوار خفيف من نقص تناوبي، مما يعني أن المحرك يمكن أن يتسارع ويخفف بسرعة أكبر، أما بالنسبة للسفن التي تتطلب تغييرات سريعة متكررة - مثل عمليات نقل الخصبات القصيرة، أو مناورة المرافئ، أو نظم تحديد المواقع الدينامية على سفن الدعم الخارجية - فإن هذا الميكانيكي المستجيب يترجم مباشرة إلى قدرة تشغيلية، ويمكن أن يؤدي إلى حدوث تباطؤ في الطاقة بسرعة كبيرة تقريبا، وإلى حدوث إجهاد إضافي.
كما أن انخفاض الكتلة يُفيد استقرار السفن، إذ يؤدي انخفاض درجة الجاذبية وانخفاض وزنها إلى تحسين خصائص الدفتر والسماح بمناورة أكثر عدائية دون كعب مفرط، وبالنسبة للحرف المرتفع، فإن كل كيلوغرام يُنقذ في نظام الدفع يسمح إما بهيكل خفيف أو بقدرة إضافية على تحميل الحمولة، وكل منهما يؤدي إلى تحسين القدرة على البقاء تجاريا.
كفاءة الطاقة وتمديدها
ويؤثر وزن المحرك في كفاءة السفن عموماً بطريقتين متمايزة: أولاً، إن المحرك نفسه يعاني من خسائر، ويقلل من كتلته من خلال مواد محسنة، ويرتبط التصميم في كثير من الأحيان بكفاءة أعلى لأن المواد الأقل نشاطاً تعني خسائر مقاومة ومغناطيسية أقل بالنسبة لناتج معين، وثانياً، وفي كثير من الأحيان، يؤدي نظام الدفع الخفيف إلى الحد من إجمالي التشريد الذي يؤدي مباشرة إلى مقاومة التراكم في نسبة 10 في المائة.
وبالنسبة للسفن التي تعمل بالبطارية، فإن مركب المدخرات بالوزن - يعني أن هناك حاجة إلى قدرة أقل على البطاريات لتحقيق نفس النطاق، أو يمكن أن توفر نفس القدرة على البطاريات نطاقا ممتدا، وبما أن عبوات البطاريات هي نفسها ثقيلة، فإن أي تخفيض في الكتلة المستخدمة في نظام الدفع يقلل فعليا من الاحتياجات الإجمالية لتخزين الطاقة، مما يؤدي إلى نشوء دورة ضارية من الوزن الخفيف وانخفاض التكلفة.
خفض الانبعاثات والامتثال التنظيمي
ولا توجد ملوثات للكهرباء، مما يجعلها جذابة للسفن العاملة في مناطق مراقبة الانبعاثات والموانئ ذات معايير صارمة لنوعية الهواء، حيث يوسع القائمون على التنظيم النطاق الجغرافي للاحتياجات المنخفضة الانبعاثات، وحيث أن بعض الولايات القضائية تخول تشغيل أسطول الغاز الجديد في أجزاء معينة من الطاقة الكهربائية الخفيفة يصبح قوة دفع تمكينية، فهي تتيح لساحات السفن أن تحقق الأهداف البيئية الأقل من حيث الكفاءة دون أن تضيف إليها أهدافاً تتعلق بالكربون.
مجموع تكلفة الملكية
وفي حين أن محركات الكهرباء ذات الوزن الخفيف قد تكون ذات سعر أعلى من البدائل التقليدية، فإن التكلفة الإجمالية للملكية على مدى عمر السفينة العادي كثيرا ما تُفضل النور، والتصميم الأكثر كفاءة، ووفورات الوقود أو الكهرباء، وانخفاض الصيانة بسبب انخفاض الأجزاء المتحركة، وانخفاض الضغط الحراري، والفترات الطويلة بين إصلاح السفن كلها تسهم في انخفاض تكاليف العمر، وعلاوة على ذلك، فإن السفن المجهزة بنظم الدفع الحديثة والخفيفة يمكن أن توفر فوائد أكبر من حيث يمكن أن تكون.
طلبات عبر أنواع فيسيل
سفينة صغيرة للمتعة ويومية
وقد اشتمل قطاع المراكب الترفيهية على لوحات كهربائية ومحركات داخلية لتشغيلها الهادئ، وحجم الانبعاثات، وانخفاض درجة الحرارة، وتكتسي تصميمات الوزن الخفيف أهمية خاصة هنا لأن القوارب الصغيرة لديها قدرة محدودة جداً على الوزن، كما أن المحرك الذي يزن 50 كيلوغراماً يمكن أن يحدث الفرق بين قارب يُستخدم على الوجه الصحيح وجهاز يُفتح بسرعة تشرد.
قوارب العمل التجارية والفرص
وفي الجزء التجاري، أصبحت حالة الأعمال المتعلقة بالدفع الكهربائي الخفيف الوزن واضحة بشكل متزايد، إذ يمكن لأسمدة الركاب التي تعمل على الطرق القصيرة أن تحقق عملية شاملة للجميع تتسم بقدرة بطارية متوسطة عندما يكون المحرك خفيفا بما يكفي لإبقاء نزوح السفن داخل حدود التصميم، وتستفيد قوارب العمل - بما في ذلك القوارب التجريبية، ودوريات الدوريات، وسفن الخدمات - من تحسن سرعة التسارع ومناورة منخفضة السرعة التي توفرها المركبات الكهربائية.
وقد قام العديد من المشغلين الأوروبيين بالفعل بإدخال عبوات كهربائية خفيفة الوزن تشحن في كل مرفأ، باستخدام محركات محررة بالكربون تقل وزنها عن نصف مجموعة محركات الديزل المكافئة، وتظهر هذه السفن أن محركات الكهرباء الخفيفة الوزن ليست فضول مختبري وإنما هي تكنولوجيا قابلة للتطبيق تجاريا يمكن أن تعمل بشكل موثوق به في ظروف الخدمة المطلوبة، وبالنسبة للزيادة في التقدم المحرز في هذا الجزء، تقدم وزارة الطاقة تحليلات للوزن البحرية.
النظم الهجينة على السفن الكبيرة
أما بالنسبة للسفن الكبيرة التي تتجه نحو المحيطات، فلا يزال الدفع الكهربائي الكامل يواجه تحديات بسبب قيود كثافة الطاقة في البطاريات، ولكن النظم الهجينة - حيث تستكمل المحركات الكهربائية محركات الديزل أو التوربينات الغازية - أصبحت معيارا للعديد من المباني الجديدة، وفي تشكيلة هجينة، توفر المحرك الكهربائي قوة دفع للتلاعب، وعملية خالية من الانبعاثات في الموانئ، والقدرة على معالجة محمولات السيارات الرئيسية في أكفأ
وقد أدى تطوير محركات المغناطيس الدائم التي لها تقديرات للطاقة في نطاق متعدد الميغاوات، والتي تقل وزنها عن محرك تعريفي تقليدي قدره نصف الطاقة، إلى إتاحة جيل جديد من السفن السياحية الهجينة والكهربية، وسفن الحاويات، والناقلات، حيث تستخدم هذه المركبات العديد من الابتكارات نفسها - أي الكميونات الألياف الكربونية، ورياح الشعر، والتبريد المتكامل - التي تُعرض على نظم الدفع الكهربائي بدرجة أكبر بكثير.
دور دعم الإلكترونيات والتحكم في الطاقة
والمحرك نفسه هو جزء واحد فقط من نظام الدفع، ويجب أن يكون المحولات والمحولات والتحكم في الإلكترونيات التي تقود المحرك خفيفة ومضغوطة للنظام العام لتحقيق كثافة عالية في الطاقة، وأن يخفض الموصلات ذات النطاق الواسع - كاربيد السيليكون ونيتريد الغالي - التي تستخدم في ارتفاع حجم الترددات مقارنة بأجيال النقل التقليدية.
كما أن خوارزميات التحكم المتقدمة، بما في ذلك المراقبة الميدانية والتحكم في العروقات المباشرة، تُفضي إلى الأداء الحركي عبر النطاق الكامل للسرعة والتمزق، كما أنها تتيح سمات مثل الخفض النشط للذبذبات العزائية، والتقاسم الدقيق للزهور في التشكيلات المتعددة الوسائط، والتحول السلس بين الدافع والطرق التجددية، وقد أصبحت مجموعة البرمجيات مصممة على الوجه الأمثل في مجال التحكم بالكهرباء البحري.
فالإدارة الحرارية للأجهزة الإلكترونية للطاقة هي مجال آخر يمكن تحقيق وفورات في الوزن، حيث تُخفض اللوحات الباردة المُعمدة مباشرة إلى وحدات الطاقة، وتزيل الحرارة بمقاومة حرارية ضئيلة، وتُجمع المساكن المحاولة مع المسكن المحركات، وتتقاسم حلقة التبريد المشتركة، وتخفض الرصيف، والوصلات، والأقواس الهيكلية، وفي أكثر التصميمات تقدما، تُركَّب الأوزان الإلكترونية الوحيدة على الترسبات.
المستقبل
تكنولوجيا الطوابق المؤثرة
ويمكن أن توفر محركات [الهاتف] ذات الحركة العالية القدرة على توليد الطاقة الكهربائية، نظاماً أكبر من التصميمات التقليدية، ويمكن أن تحقق أجهزة التحكم في الانبعاثات البشرية، في حالة حدوث خسائر متداخلة للغاية، تشكيلات للوزن الخفيف لمستويات عالية جداً من الطاقة، أو أكثر.
التكامل مع نظم الطاقة المتجددة والهيدروجين
أما الخطوة المنطقية التالية التي تتجاوز محركات الكهرباء الخفيفة الوزن فهي أن تقترن بها مصادر للطاقة الخفيفة، ويمكن أن توفر الألواح الشمسية المدمجة في أعالي وأسطح السفن جزءا من طاقة الدفع للسفن العاملة في المناطق المشمسة، وأن تضمن المولدات الكهربائية القدرة على استعادة الطاقة من البحار أو من الدوارات، كما أن خلايا الوقود الهيدروجينية التي تحول الهيدروجين إلى الكهرباء التي لا تحتوي إلا على مخرج ثانوي، آخذة في الظهور كمصدر للطاقة غير مثبتة.
التوائم الرقمية والصيانة الافتراضية
إن التكتل البصري لا ينتهي في المصنع، فكلما كانت حياة السيارات، فإن البيانات المستمدة من أجهزة الاستشعار المدمجة في الريح، والعلامات، والسكن يمكن أن تغذي توأم رقمي - نموذج افتراضي يعكس الحالة الفعلية للمحرك في الوقت الحقيقي، ويسمح التوأم الرقمي للمشغلين برصد الحمولات الحرارية والميكانيكية، واكتشاف الأخطاء قبل أن تسبب الفشل، وإضفاء الصبغة المثلى على خطط التشغيل التي تخفف من الإجهاد.
خاتمة
وقد انتقل تصميم السيارات الكهربائية الخفيفة من منطقة بحثية صغيرة إلى ركيزة مركزية من استراتيجية الدفع البحري، وتوافق المركبين المتقدمين، والمغنطيسية ذات الأداء العالي، والمختصرات الهوائية المبتكرة، والتبريد المتكامل، ينتج محركات أصغر حجماً بكثير، وأكثر أخف من سابقيها، بينما يضاهي أداء محركات الديزل التقليدية أو يتجاوزها، وهذه الابتكارات تتيح بالفعل تخفيضاً عملياً في الوزن الكهربائي والهجين.
وبالنسبة للمهندسين البحريين ومشغلي السفن والمهندسين البحريين، فإن الرسالة مباشرة، ولا يمكن للمحركات الكهربائية الخفيفة الوزن أن تكون في المستقبل، بل حقيقة واقعة، وهي توفر طريقاً نحو سفن أكثر كفاءة وأنظف وأكثر قدرة، وتستمر التكنولوجيا في التطور بسرعة، مدفوعة بخطى التقدم في المواد، والصناعة التحويلية، ونظم المراقبة، وسيكون من يستثمرون في فهم وتطبيق هذه الابتكارات في موقع جيد يقود الصناعة من خلال الانتقال البحثي المستمر الذي يعيد تشكيل المحركات البحرية.